聚能爆破切頂技術(shù)在沿空留巷中的應(yīng)用探討

李 斌

（山西西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

傳統(tǒng)的留設(shè)寬煤柱工作面開采方式造成了煤炭資源的浪費[1]，與現(xiàn)代化礦井工作面高強度開采要求不適應(yīng)，因此提出了針對綜采工作面切頂卸壓技術(shù)，進行無煤柱開采技術(shù)研究[2]。目前無煤柱開采技術(shù)在許多礦井得到了廣泛的應(yīng)用，但切頂卸壓后巷道易發(fā)生失穩(wěn)，破壞嚴(yán)重，因此，針對切頂卸壓爆破關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的研究非常重要，對留巷的圍巖穩(wěn)定有著決定性的影響。

1 工作面概況

1.1 工作面概況

官地煤礦12605工作面屬南六采區(qū)2#煤層。2#煤層傾角為5°，平均厚度為2.4 m。巷道采用矩形斷面，沿煤層底板掘進，巷道長度設(shè)計為931 m，切眼設(shè)計長度為220 m。12605工作面見圖1。目前工作面所在位置為圖1中“2017.4.22壓道”處，此處即為留巷段切頂卸壓施工起始位置，留巷段切頂卸壓施工終點位置即為停采線位置，設(shè)計留巷段長度為700 m。頂?shù)装鍘r性見表1。

為了避免沿空留巷時出現(xiàn)頂板動力災(zāi)害，通常采用聚能爆破切斷基本頂，使得頂板垮落，確保留巷的圍巖穩(wěn)定。聚能爆破技術(shù)的關(guān)鍵在于爆破參數(shù)的選取，下面就技術(shù)參數(shù)進行分析確定。

2 聚能爆破切頂技術(shù)參數(shù)

2.1 聚能管直徑、炸藥直徑與炮孔直徑

炮孔直徑和聚能管直徑要兩者相互適應(yīng)，保證聚能藥卷能夠放入炮孔內(nèi)。根據(jù)官地煤礦12605工作面的現(xiàn)場條件，根據(jù)工程經(jīng)驗，選用壁厚為1.8 mm、外徑為40 mm的聚能管，直徑為48 mm的鉆頭，直徑為35 mm的大直徑乳化炸藥。

表1 頂?shù)装鍘r性情況

圖1 工作面留巷位置

2.2 炮孔深度

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔柱狀圖和12605工作面沿空留巷實施情況，頂板平均厚度為6.34 m左右，再往上為9.3 m左右的泥巖和粉砂巖互層。因此，炮孔深度初步確定為6 m，使用Φ48 mm鉆頭鉆孔，并向采空區(qū)側(cè)傾斜10°。在采空區(qū)側(cè)300～500 mm布置炮孔。

2.3 頂部炮孔間距

采用適于爆破分析軟件LS-DYNA分析不同炮孔間距下爆破效果，建立模型大小為7000 mm×6000 mm×6000 mm，炸藥藥卷直徑為35 mm，炮孔直徑為48 mm，炮孔深度為6000 mm。

（1）炮孔間距

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可以得到在不同炮孔間距下監(jiān)測點的應(yīng)力曲線見圖2。

從圖2可以看出：

a、當(dāng)炮孔間距為0.8 m 時，監(jiān)測點處有效應(yīng)力峰值為78.3 MPa；當(dāng)炮孔間距為1.0 m時，監(jiān)測點處有效應(yīng)力峰值為49.5 MPa；當(dāng)炮孔間距為1.2 m時，監(jiān)測點處有效應(yīng)力峰值為44.7 MPa?？梢缘贸鲆?guī)律：炮孔間距越小，監(jiān)測點處有效應(yīng)力峰值越大。

b、三個監(jiān)測點都出現(xiàn)了兩次應(yīng)力高峰值，第一次應(yīng)力峰值均大于第二次應(yīng)力峰值，這是由于隨著炮孔間距的增大，第二次應(yīng)力峰值減小，且兩炮孔的應(yīng)力波在此處相遇發(fā)生了疊加現(xiàn)象。

c、當(dāng)炮孔間距為0.8 m時，監(jiān)測點處有效應(yīng)力穩(wěn)定在45 MPa左右；當(dāng)炮孔間距為1.0 m 時，監(jiān)測點處有效應(yīng)力穩(wěn)定于21 MPa；當(dāng)炮孔間距為1.2 m時，監(jiān)測點處有效應(yīng)力穩(wěn)定在10～20 MPa內(nèi)。因此得出規(guī)律：有效應(yīng)力穩(wěn)定值隨著炮孔間距的增大而減小，且監(jiān)測點有效應(yīng)力炮孔爆破時間越長，有效應(yīng)力越趨向于穩(wěn)定。

d、當(dāng)炮孔間距為0.8 m和1.0 m時，有效應(yīng)力穩(wěn)定值大于巖石的抗拉強度，擋炮孔間距為1.2 m時，有效應(yīng)力穩(wěn)定值小于巖石的抗拉強度。

（2）有效應(yīng)力變化規(guī)律

圖2 不同炮孔間距下監(jiān)測點有效應(yīng)力曲線

根據(jù)上述分析結(jié)果，初步確定炮孔間距為1.0 m。炮孔間距為1.0 m時的有效應(yīng)力隨時間變化規(guī)律見圖3、圖4。

由圖可知，當(dāng)爆破時間為39.886μs時，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波達到138 mm，當(dāng)139.84μs時，兩爆破孔在連線中心位置處發(fā)生了疊加現(xiàn)象，應(yīng)力波不斷增加。當(dāng)爆破時間達到299.51μs時，應(yīng)力達到峰值49.5 MPa，已經(jīng)超過了巖石的抗拉強度，應(yīng)力波開始衰減。在619.09μs時，應(yīng)力均衰減至18 MPa；當(dāng)1999.9μs時，有效應(yīng)力小于18 MPa。

由于采用聚能管后可大大增加炮孔間距，比普通光面爆破要求的炮孔間距提高30%以上，可以進一步確定炮孔間距為1.0 m。

圖3 淺孔爆破有效應(yīng)力演化正視圖

圖4 淺孔爆破有效應(yīng)力演化俯視圖

2.4 頂部炮孔裝藥量

裝藥量Q的計算公式如下：

式中：e為主要換算系數(shù)，即爆力系數(shù)，取1.0～1.3；Q為每個炮孔實際裝藥量，kg；g—炮眼堵塞系數(shù)，取1.8；w為最小抵抗線，m；q為標(biāo)準(zhǔn)條件下爆破每單位體積所需炸藥量，取0.2～0.35 kg/m3；nr為炮眼深度對炸藥消耗量的影響參數(shù)；l為炮眼深度，m。

根據(jù)頂板巖性，取e =1.0，q=0.3，g =1.8，l=6 m，w=1 m，nr=2.6，代入以上計算得每孔裝藥量Q=3.03 kg，最終確定實際每孔裝藥量為3.2 kg，16節(jié)Φ35×200 mm炸藥。

2.5 雙向聚能裝置結(jié)構(gòu)

炮孔采用聚能管連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，聚能管長度一般取炮孔長度的60%～70%，由于預(yù)裂深度為6 m，并考慮裝藥量，所以將聚能管分成二段，每段長1.6 m，每個炮孔安裝2段聚能管。

聚能裝置采用單軸抗壓強度要求不小于1.6 MPa的PVC管材加工，在PVC管材對稱的兩側(cè)面切縫，切縫寬度3～5 mm（或密集鉆眼，眼距為10 mm，眼孔Φ5 mm）。外徑40 mm，壁厚1.8 mm。

2.6 雙向聚能爆破參數(shù)

根據(jù)前述分析結(jié)果，確定炮孔深度6.0 m，間距1.0 m，為方便頂板垮落，設(shè)計炮孔向工作面采空壓側(cè)偏轉(zhuǎn)10°，同時為了避免對充填體的破壞，設(shè)計炮孔距充填體距離為300～500 mm，正向裝藥，每節(jié)聚能管裝入Φ35 mm、L=200 mm藥卷8支，每孔裝入2節(jié)聚能管，在每節(jié)聚能管最后一卷藥上安設(shè)好一發(fā)雷管，將腳線引出，然后用炮泥堵好聚能管口，封泥長度2.8 m。

炮孔的具體參數(shù)見表2，炮孔布置見圖5。

表2 單個炮孔相關(guān)參數(shù)

圖5 炮孔布置

3 沿空留巷加強支護技術(shù)

3.1 巷內(nèi)補強支護技術(shù)

原巷道支護強度低，需要進行補強支護才能滿足沿空留巷要求。初步補強方案為：頂板每2排錨桿補打一根Φ17.8×5000 mm的錨索，排距2400 mm，錨索靠近采煤幫一側(cè)，距采煤幫250 mm。非采煤幫采用錨桿錨索加強支護，每2 排錨桿補打2 根Φ17.8×4300 mm錨索和1根高強度Φ20×2400 mm的錨桿，間排距1450×2400 mm，上面一根錨索距頂板800 mm，下面一根錨桿距底板300 mm，配合安裝錨索300 mm×300 mm×16 mm的托盤、錨桿100 mm×100 mm×12 mm的托盤和Φ14 mm鋼筋加工的梯子梁。

3.2 留巷段臨時加強支護

在工作面回采及留巷期間，頂板活動強烈。實踐表明，沿空留巷頂板活動強烈的范圍在工作面后方100～120 m范圍內(nèi)，需要采用單體液壓支柱加強支護，以減輕工作面采動支承壓力對巷道的影響，確保留巷達到較好的技術(shù)指標(biāo)。

加強支護方案為：①工作面前方20 m，采用礦方現(xiàn)有超前支護方案；②工作面后方120 m，采用3排單體液壓支柱配合π型梁或鉸接頂梁支護，柱距為1000 mm，距充填體距離分別為：500 mm、2000 mm和4200 mm；③在構(gòu)筑充填體時，兩側(cè)采用DW42或DW45單體液壓支柱支護，間距為800 mm，使用單體液壓支柱約30根。